Systemfähiger Frequenzumrichter mit Vektorregelung
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ANTRIEBSTECHNIK<br />
2 A&D NEWSLETTER<br />
Systemfähige <strong>Frequenzumrichter</strong> <strong>mit</strong><br />
feldorientierter <strong>Vektorregelung</strong><br />
Modularer Aufbau ermöglicht individuelle Anpassung an<br />
Aufgabenstellung<br />
Die neue <strong>Frequenzumrichter</strong>gerätereihe ‚DV4‘ bringt die feldorientierte<br />
<strong>Vektorregelung</strong> in den unteren Leistungsbereich. Eingebunden in das Automatisierungskonzept<br />
von Moeller ermöglicht die Drehmoment- und Drehzahlregelung<br />
(wahlweise sensorlos) vielseitige Einsatzmöglichkeiten bei<br />
unterschiedlichsten Anforderungen. Die individuelle Zusammenstellung für<br />
die verschiedenen Aufgaben ist aufgrund des modularen Aufbaus schnell<br />
und einfach möglich.<br />
F<br />
requenzumrichter sind aus modernen<br />
Antriebskonzepten nicht mehr wegzudenken.<br />
In Verbindung <strong>mit</strong> dem Drehstrom-<br />
Asynchronmotor – der weltweit am häufigsten<br />
eingesetzten elektrischen Antriebsmaschine –<br />
bieten sie wesentliche Vorteile gegenüber anderen<br />
Antriebsarten. Grund dafür sind die vielfältigen<br />
Einsatzmöglichkeiten. Anwendungen<br />
wie bei Pumpen und Ventilatoren oder der<br />
Vorschub von Transport- und Montagebändern<br />
sind naheliegend. Weitere Anwendungen<br />
sind Rührwerke, Flaschenabfüllanlagen,<br />
Textil- und Druckmaschinen sowie Werkzeugund<br />
Produktionsmaschinen. Ein weites<br />
Spektrum, dass in der Vergangenheit zu<br />
unterschiedlichsten Ausprägungen von<br />
<strong>Frequenzumrichter</strong>n geführt hat, wie einfache<br />
U/f-Umrichter für Pumpen und<br />
Lüfter, teilweise leistungsoptimiert für<br />
quadratische Lastkennlinien. Doch was<br />
ist zu tun, wenn die Anforderungen an<br />
das vorhandene System steigen? Oft war<br />
es der <strong>Frequenzumrichter</strong>, der seine technischen<br />
Grenzen erreichte und daher<br />
auszutauschen war. Der Kunde hatte<br />
hier die Qual der Wahl: Für jede Applikation<br />
ein spezielles Gerät oder einen<br />
universellen ‚Alleskönner‘, dessen Fähigkeiten<br />
dann nur zu etwa 20% genutzt werden?<br />
Hier setzt die neue <strong>Frequenzumrichter</strong>lösung<br />
von Moeller an: Schon das Grundgerät ist <strong>mit</strong><br />
umfangreichen Funktionen versehen. Dem<br />
. Autor<br />
Dipl.-Ing. JÖRG RANDERMANN<br />
ist bei Moeller in Bonn Leiter<br />
des Produktmarketings Drives.<br />
Er studierte in Köln Automatisierungstechnik<br />
und ist<br />
seit 1981 bei Moeller im Bereich<br />
regelbare Antriebe und<br />
Leistungselektronik tätig.<br />
Anwender steht ein innovatives Leistungsteil<br />
zur Verfügung, <strong>mit</strong> Netzgleichrichter<br />
und integriertem EMV-Filter, Gleichspannungszwischenkreis<br />
<strong>mit</strong> Schaltnetzteil und<br />
IGBT-Wechselrichter <strong>mit</strong> Bremstransistor<br />
sowie einem Thermistoreingang und<br />
einem Relaisausgang. Schon in dieser<br />
Grundversion erfüllt der ‚DV4‘ als Softstarter<br />
<strong>mit</strong> Nennmoment den sanften<br />
Motorstart – auch bei schweren Lasten –<br />
wie er bei Rolltreppen, Förderschnecken<br />
und Steinbrechern gefordert wird.<br />
Dank eines modularen Aufbaus und der<br />
Abb. 2: Über das<br />
Ein-/Ausgabemodul<br />
DE4-IOM-STD-F kann<br />
der <strong>Frequenzumrichter</strong><br />
analog und digital<br />
angesteuert werden<br />
standardisierten Funktionen und Baugruppen<br />
ist ein individueller Ausbau zum <strong>Frequenzumrichter</strong><br />
möglich. Vom Anwender werden<br />
dazu nur die Bausteine gewählt, die für die<br />
Lösung der gestellten Antriebsaufgabe erforderlich<br />
sind. Zu den bekanntesten Betriebsarten<br />
gehören:<br />
. Die einfache proportionale Steuerung von<br />
Motorspannung und Motorfrequenz (U/f)<br />
für einfache Pumpen- und Lüfterantriebe<br />
<strong>mit</strong> quadratischer Lastkennlinie<br />
. Die hochgenaue U/f-Steuerung <strong>mit</strong> linearer<br />
Kennlinie bis 87 Hz und der Parallelbetrieb<br />
mehrerer Motoren an einem Frequenz-<br />
Abb. 1: Der <strong>Frequenzumrichter</strong> DV4 kann<br />
vom Anwender an die Applikation angepasst<br />
werden<br />
umrichter bei Fahrwerkantrieben von Portal-<br />
und Brückenkranen<br />
. Die flussgesteuerte <strong>Vektorregelung</strong> im<br />
Drehzahl- und Drehmomentbereich bei<br />
Wickel- und Hubantrieb – und dies ohne<br />
Istwert-Rückführung (sensorless).<br />
Der applikationsabhängige Ausbau des <strong>Frequenzumrichter</strong>s<br />
<strong>mit</strong> z.B. Netzdrossel, Bremswiderstand,<br />
Kommunikationsbaugruppe usw.<br />
bringt für den Kunden Kostenvorteile, da diese<br />
Komponenten bereits bei anderen Gerätereihen<br />
von Moeller (z.B. Softstarter DM4, <strong>Frequenzumrichter</strong><br />
DF4) zum Einsatz kommen:<br />
Der Anwender kann dadurch die Typenvielfalt<br />
und da<strong>mit</strong> Lagerplätze reduzieren.<br />
Vektor-Tuning<br />
Die sensorlose <strong>Vektorregelung</strong> ermöglicht<br />
Regeleigenschaften im Drehzahl- und Drehmomentenbereich,<br />
die bisher im <strong>mit</strong>tleren<br />
Leistungsbereich nur großen und aufwendigen<br />
<strong>Frequenzumrichter</strong>n vorbehalten war und<br />
durch Servoregler oder Gleichstromantriebe<br />
im unteren Leistungsbereich realisiert wurde.
ANTRIEBSTECHNIK<br />
MÄRZ/APRIL 2000 3<br />
Hierzu zählen gute Rundlaufeigenschaften im<br />
gesamten Drehzahlbereich (Drehzahlkonstanz<br />
kleiner 1% n/n N , ohne Rückführung),<br />
1,8faches Drehmoment, auch bei Drehfeldfrequenzen<br />
kleiner 1 Hz und Drehmomentanregelzeiten<br />
bei vollen Laststößen von etwa<br />
200 ms. Eigenschaften, <strong>mit</strong> denen die Prozessqualität<br />
und der Nutzen für den Maschinenund<br />
Anlagenbau verbessert wird. Applikationen<br />
<strong>mit</strong> aufwendigen und störanfälligen Drehzahlgebern<br />
(Encoder, Tacho) dürfen in Frage<br />
gestellt werden, wenn im sensorlosen Vektorbetrieb<br />
der <strong>Frequenzumrichter</strong> DV4 über den<br />
gesamten Regelbereich eine Drehzahlkonstanz<br />
kleiner ±0,1 Hz ermöglicht.<br />
Integrierte Zusatzfunktionen<br />
Die <strong>Frequenzumrichter</strong> bieten bereits in der<br />
Standardausführung weitere wichtige Funktionen:<br />
. Der integrierte netzseitige EMV-Filter hält<br />
die leitungsgebundenen Störungen in den<br />
seitens der EMV-Produktnorm für regelbare<br />
Antriebe (IEC/EN 61800-3) vorgegebenen<br />
Grenzen.<br />
. Bei Applikationen <strong>mit</strong> hoher Bremsenergie<br />
(Hubwerke, Wickler) kann durch den integrierten<br />
Bremstransistor auf zusätzliche<br />
Bremsgeräte verzichtet werden.<br />
. Die Betriebssicherheit wird durch die Überwachung<br />
der Motortemperatur erhöht. Der<br />
integrierte Thermistorschutz ermöglicht<br />
den Anschluss von PTC-Widerständen<br />
(Kaltleitern) oder Temperaturkontakten.<br />
. Bei Lüfter- und Pumpenantrieben bietet<br />
neben der Motorfangschaltung der integrierte<br />
PID-Regler weitere Vorteile der prozessoptimierten<br />
Regelung (z.B. Druck,<br />
Durchfluss, Drehzahl).<br />
. Frei parametrierbares Relais <strong>mit</strong> Wechsler-<br />
Kontakt zur potentialfreien Meldung von<br />
Betriebszuständen.<br />
Der große Vorteil der sensorlosen Vektortechnologie<br />
liegt in der Regelung des<br />
Motorflusses auf einen Wert, der dem<br />
Nennfluss des Motors entspricht. Dadurch<br />
wird auch bei Asynchronmotoren eine<br />
dynamische Drehmomentregelungen wie<br />
bei Gleichstrommotoren möglich.<br />
Bei der sensorlosen <strong>Vektorregelung</strong> wird<br />
aus den gemessenen Größen von Ständerspannung<br />
(u1) und Ständerstrom (i1)<br />
die flussbildende Größe iµ und die<br />
drehmomentbildende Größe iw berechnet.<br />
Die Berechnung erfolgt in einem<br />
Offen für<br />
Kommunikation<br />
Abgestimmt auf die Systemlösung bietet der<br />
DV4 <strong>mit</strong> zwei Schnittstellen eine hohe Flexibilität.<br />
Die verschiedenen optionalen Module<br />
und Baugruppen ermöglichen dabei eine<br />
Vielzahl von Konfigurationen. Die Bedieneinheit<br />
DE4-KEY-3 ermöglicht die Kommunikation<br />
<strong>mit</strong> dem Gerät, den Zugriff auf alle Parameter<br />
und den Parametertransfer zu anderen<br />
DV4-Geräten. Die Parameter können individu-<br />
Abb. 3: Die aufsteckbare Bedieneinheit DE4-<br />
Key-3<br />
ell zwei verschiedenen Anwenderebenen zugeordnet<br />
(z.B. Drehzahländerung durch das<br />
Bedienpersonal) und über Passwort geschützt<br />
werden.<br />
Über die serielle Schnittstelle DE4-COM-2X<br />
(RS 232/485) und einer unter Windows lauffähigen<br />
Software erhält der Anwender <strong>mit</strong><br />
Hilfe eines PCs den Zugriff auf alle Parameter.<br />
Wichtige Antriebsparameter wie Strom oder<br />
Frequenz können dabei auch grafisch angezeigt<br />
werden.<br />
Vereinfachtes Ersatzschaltbild des Asynchronmotors und zugehörige<br />
Stromvektoren<br />
dynamischen Motormodell (elektrisches<br />
Ersatzschaltbild des Drehstrommotors) <strong>mit</strong><br />
adaptiven Stromreglern, unter Berücksichtigung<br />
der Sättigung des Hauptfelds<br />
Die Systemfähigkeit beginnt <strong>mit</strong> der Einbindung<br />
in gängige Automatisierungskonzepte<br />
und Feldbussysteme. Hier werden Profibus DP<br />
(DE4-NET-DP), Suconet K (DE4-NET-K) und<br />
Interbus (DE4-NET-S) unterstützt.<br />
Für die Ansteuerung über Klemmen ist ein<br />
Funktionsmodul erforderlich. Dieses wird im<br />
Gerät durch Aufstecken auf den zweiten Steckplatz<br />
integriert. Das Ein-/Ausgabemodul DE4-<br />
IOM-STD-F ermöglicht die analoge und digitale<br />
Ansteuerung des <strong>Frequenzumrichter</strong>s über<br />
eine steckbare Schraubklemmenleiste. Die<br />
genormten analogen (0...+10 V, 0/4... 20 mA)<br />
und digitalen Signale (+24 V) sind galvanisch<br />
vom Reglerteil des <strong>Frequenzumrichter</strong>s<br />
getrennt.<br />
Eingebunden<br />
im Gesamtkonzept<br />
Die <strong>Frequenzumrichter</strong> der Reihe DV4 sind<br />
voreingestellt und können nach Aufbau und<br />
elektrischem Anschluss direkt gestartet werden.<br />
Die Geräte sind im Leistungsbereich von<br />
0,25 kW bis 2,2 kW für die Bemessungsspannung<br />
230 V und im Bereich von 0,55 bis<br />
2,2 kW für 400 V definiert. Die 230-V-Versionen<br />
ermöglichen den Anschluss an 115 V und<br />
240 V, die 400-V-Versionen 460 V und 500 V.<br />
Bereit für den weltweiten Einsatz an 50-/60-<br />
Hz-Netzen, erfüllen die Umrichter die europäischen<br />
(CE) und amerikanischen (UL)<br />
Normen.<br />
Einheitliche Anschlussbezeichnungen und<br />
Schaltbilder erleichtern die Projektierung.<br />
Die den <strong>Frequenzumrichter</strong>n DV4 eindeutig<br />
zugeordneten Schaltgeräte, Schutzorgane,<br />
Drosseln, Filter und Bremswiderstände sind in<br />
der Anwenderdokumentation aufgelistet.<br />
INFO-SERVICE: #09<br />
und der Eisenverluste.<br />
Die beiden Stromkomponenten<br />
werden<br />
dabei nach Betrag<br />
und Phase in einem<br />
umlaufenden<br />
Koordinatensystem<br />
(w) zum ständerfesten<br />
Bezugssystem (α, β)<br />
gesetzt. Die für das Modell erforderlichen<br />
physikalischen Motordaten werden aus<br />
den eingegebenen und den gemessenen<br />
(Selftuning) Parameter gebildet.